Э. ч. м. превышает число элементов периодич. системы Менделеева. Э. ч. м. – существенно квантово-механич. объекты (см. Микрочастицы), их движении (совершающихся довольно часто со скоростями, близкими к скорости света) может быть только релятивистской, т.е. удовлетворяющей требованиям относительности теории. В 30–50-е гг. считалось, что общей теорией Э. ч. м. будет квантовой механики и теории относительности – релятивистская . Однако целый попыток в этом направлении натолкнулся на непреодолимые трудности. Поэтому в физике сложилось , что для создания общей теории Э. ч. м. надо пополнить принципы квантовой теории и теории относительности существенно новыми, характерными только для мира Э. ч. м. понятиями и закономерностями.

Из возникших в этой связи филос. проблем наибольшее привлекла природы пространства-времени на очень малых расстояниях. Многочисл. попытки непосредств. квантования пространств, отношений на уровне Э. ч. м. при логически последоват. проведении обнаружили свою несовместимость с требованиями теории относительности и данными эксперимента по рассеянию Э. ч. м. при очень высоких энергиях. Линденбаум и др. в 1966 доказали, что вплоть до расстояний 10 -17 см микромира имеет непрерывную, недискретную структуру. Различные модели дискретного пространства-времени рассмат-риваются в наст. время как одно из направлений исследования вопроса о реальной физич. структуре очень малых расстояний и промежутков времени. Применение математики в физике Э. ч. м. основано до сих пор на аксиоме Эвдокса – Архимеда, согласно к-рой из двух произвольно взятых отрезков меньший всегда можно отложить на большем число раз, после чего последний будет превзойден по длине. Эта , характеризующая топологию пространства, вызывает сомнения в мире Э. ч. м., особенно в связи с возможностью различных виртуальных превращений их друг в друга. В рамках т.н. абстрактной теории поля исследуется применения для построения общей теории Э. ч. м. математич. пространств самой общей топологич. природы, в т.ч. и неметрической (т.е. таких, в к-рых нельзя ввести нек-рую меру "удаленности" объектов друг от друга – аналог "расстояния" между ними).

Др. филос. проблем связана с выделением элементарного объекта, к-рый можно положить в основу теории Э. ч. м. На эту роль выдвигали и определенные эмпирически наблюдаемые (напр., протон, нейтрон и лямбда-гиперон в теории япон. Саката), и более косвенно связанные с опытом сущности (напр., нек-рое универсальное, само на себя действующее нелинейное спинорное Гейзенберга), и объекты гипотетич. природы (кварки Гелл-Мана и Цвейга или реджлионы Чью, Фраучи и их последователей). Многие из этих попыток непосредственно связаны с определенными филос. идеями. Так, Саката считает свою теорию основанной на идеях диалектич. материализма, Гейзенберг исходит из учения Платона о геометрически совершенных идеальных телах, Гелл-Ман связывает свою "восьмеричную симметрию" с восемью способами постижения истины Будды и с поисками новой формы атомизма, Чью, напротив, полагает идею атомизма устаревшей и предлагает руководствоваться идеей Лейбница о наилучшем из миров и идеей "демократии" – одинаковости статуса всех известных Э. ч. м.

Все предложенные до сих пор варианты общей теории Э. ч. м. представляют собой конкретные способы глубоко диалектич. противоречивости свойств Э. ч. м. как объектов науч. исследования: с одной стороны, очевидно удивительное постоянство масс, зарядов, спинов и др. характеристик Э. ч. м. данного вида; с др. стороны, взаимная превращаемость Э. ч. м. является по существу формой их бытия – благодаря наличию виртуальных процессов каждая из известных Э. ч. м. может превращаться почти в любую другую (плюс дополнит. корпускулы – для сохранения электрического, барионного и лептонного зарядов).

Ряд филос. проблем физики Э. ч. м. касается формирования новых понятий, с помощью к-рых удастся сформулировать новые движения Э. ч. м. как качественно своеобразных объектов. В последние годы в связи с открытием новых свойств симметрии Э. ч. м. складывается убеждение, что и законы квантовой теории, и законы теории относительности являются лишь нек-рым предельным случаем закономерностей будущей общей теории Э. ч. м. (напр., в пределе достаточно малых энергий – до одного миллиона электронвольт на корпускулу – и при ограничении объектами, имеющими триви-альную, метрич. топологию). Иными словами, к построению теории Э. ч. м. подходят с позиций соответствия принципа. Большие надежды возлагаются на интенсивно исследуемые свойства симметрии взаимодействий Э. ч. м. Очевидно, что лишь с т. зр. единой теории Э. ч. м. удастся объяснить и факт существования именно данного набора Э. ч. м., и наличие именно данных типов взаимодействий между ними, и совершенно загадочную в наст. время, но эмпирически очень ярко выступающую силы взаимодействия от степени его симметрии (уменьшение этой силы по мере уменьшения степени симметрии взаимодействия).

Лит.: Марков Μ. Α., О совр. форме атомизма (О понятии элементарной частицы), "ВФ", 1960; No 3, 4; Mapшак Р. и Судершан Э., Введение в физику Э. ч., пер. с англ., М., 1962; Филос. проблемы физики Э. ч., М., 1863; Гейзенберг В., Физика и , пер. с нем., М., 1963; Природа материи, "Успехи физич. наук", 1965; т. 86, вып. 4; Чью Дж., Аналитич. теория S-матрицы, пер. с англ., М., 1968.

И. Акчурин. Москва.

Философская Энциклопедия. В 5-х т. - М.: Советская энциклопедия . Под редакцией Ф. В. Константинова . 1960-1970 .

Смотреть что такое "ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ МАТЕРИИ" в других словарях:

Введение. Э. ч. в точном значении этого термина первичные, далее неразложимые ч цы, из к рых, по предположению, состоит вся материя. В совр. физике термин «Э. ч.» обычно употребляется не в своём точном значении, а менее строго для наименования… … Физическая энциклопедия

Большой Энциклопедический словарь

Elementary particles мельчайшие частицы физической материи. Представления об элементарных частицах отражают ту ступень в познании строения материи, которая достигнута современной наукой. Вместе с античастицами открыто около 300 элементарных… … Термины атомной энергетики

элементарные частицы - Мельчайшие частицы физической материи. Представления об элементарных частицах отражают ту ступень в познании строения материи, которая достигнута современной наукой. Вместе с античастицами открыто около 300 элементарных частиц. Термин… … Справочник технического переводчика

Современная энциклопедия

Элементарные частицы - ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ, общее название мельчайших частиц материи на следующем (после ядер) уровне строения материи (субъядерные частицы). К элементарным частицам относятся протон (p), нейтрон (n), электрон (e), фотон (g), нейтрино (n) и др. и их… … Иллюстрированный энциклопедический словарь

Введение. Э. ч. в точном значении этого термина первичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя. В понятии «Э. ч.» в современной физике находит выражение идея о первообразных сущностях,… … Большая советская энциклопедия

Мельчайшие известные частицы физической материи. Представления об элементарных частицах отражают ту степень в познании строения материи, которая достигнута современной наукой. Характерная особенность элементарных частиц способность к взаимным… … Энциклопедический словарь

В узком смысле частицы, к рые нельзя считать Состоящими из других частиц. В совр. физике термин Э. ч. используют в более широком смысле: так наз. мельчайшие частицы материи, подчиненные условию, что они не являются атомными ядрами и атомами… … Химическая энциклопедия

Мельчайшие частицы физ. материи. Представления об Э. ч. отражают ту степень в познании строения материи, к рая достигнута совр. наукой. Характерная особенность Э. ч. способность к взаимным превращениям; это не позволяет рассматривать Э. ч. как… … Естествознание. Энциклопедический словарь

Книги

• Эфирная теория строения материи Вселенной , Анатолий Бедрицкий. В книге "Эфирная теория строения материи Вселенной" определены истинные начальные элементарные частицы материи - маты, которые имеют абсолютную плотность и движутся хаотически во все стороны,…

Если вы полагали, что мы канули в лету со своими мозговыворачивающими темами, то спешим вас огорчить обрадовать: вы заблуждались! На самом деле все это время мы пытались найти приемлемую методику изложения безумных тем связанных с квантовыми парадоксами. Мы написали несколько вариантов черновиков, но все они были выброшены на мороз. Потому что когда речь заходит об объяснении квантовых приколов, то мы и сами путаемся и признаем, что многое не понимаем (да и вообще мало кто понимает в этом деле, включая крутых мировых ученых). Увы, квантовый мир настолько чужд обывательскому мировоззрению, что совсем не стыдно признаться в своем непонимании и пытаться понемножку вместе разобраться хотя бы в основах.

И хотя мы, как обычно, постараемся рассказывать предельно доступно с картинками из гугла, неискушенному читателю потребуется некоторая начальная подготовка, поэтому рекомендуем просмотреть наши предыдущие темы, особенно про кванты и материю.
Специально для гуманитариев и прочих интересующихся - квантовые парадоксы. Часть 1.

В этой теме мы поговорим о самой обыденной загадке квантового мира - корпускулярно-волновом дуализме. Когда мы говорим "самая обыденная" мы имеем в виду, что физикам она уже приелась настолько, что как будто бы и не кажется загадкой. Но это все потому, что остальные квантовые парадоксы обывательскому уму принять еще сложнее.

А дело было так. В старые добрые времена где-то в середине 17-го века Ньютон и Гюйгенс разошлись во мнении, что есть свет: Ньютон без зазрения совести заявил, что свет это поток частиц, а старина Гюйгенс пытался доказать, что свет это волна. Но Ньютон был авторитетнее, поэтому его заявление о природе света было принято как истинное, а над Гюйгенсом посмеялись. И двести лет свет считали потоком каких-то неведомых частиц, природу которых однажды надеялись открыть.

В начале 19 века один востоковед по имени Томас Юнг баловался с оптическими приборами - в итоге он взял и провел эксперимент, который сейчас называют опытом Юнга, и каждый физик считает этот опыт священным.

Томас Юнг всего лишь направил луч (одного цвета, чтобы частота была примерно одинакова) света через две прорези в пластине, а позади поставил еще одну пластину-экран. И показал результат своим коллегам. Если бы свет был потоком частиц, то мы бы увидели на заднем фоне две светлые полосы.
Но, к несчастью всего научного мира, на экране-пластине появилась череда темных и светлых полос. Обычное явление, которое называется интерференцией - наложение двух (и более волн) друг на друга.

Кстати, именно благодаря интерференции мы наблюдаем радужные переливы на пятне масла или на мыльном пузыре.

Иначе говоря, Томас Юнг экспериментально доказал, что свет это волны. Ученый мир долго не хотел верить Юнгу, и одно время его так закритиковали, что тот даже отказался от своих идей волновой теории. Но уверенность в своей правоте все-таки победила, и ученые стали считать свет волной. Правда, волной чего - это было загадкой.
Вот, на рисунке старый добрый опыт Юнга.

Надо сказать, волновая природа света не сильно повлияла на классическую физику. Ученые переписали формулы и стали полагать, что скоро весь мир падет к их ногам под единой универсальной формулой всего.
Но вы уже догадались, что Эйнштейн как всегда все испортил. Беда подкралась с другой стороны - сначала ученые заморочились расчетом энергии тепловых волн и открыли понятие квантов (обязательно почитайте об этом нашу соответствующую тему " "). А затем с помощью этих самых квантов Эйнштейн нанес удар по физике, объяснив явление фотоэффекта.

Вкратце: фотоэффект (одно из следствий которого является засвечивание пленки) это выбивание светом электронов с поверхности некоторых материалов. Технически это выбивание происходит так, словно свет это частица. Частичку света Эйнштейн назвал квантом света, а позже ей присвоили имя - фотон.

В 1920 году к антиволновой теории света добавился удивительный эффект Комптона: когда электрон обстреливают фотонами, то фотон отскакивает от электрона с потерей энергии ("стреляем" синим цветом, а отлетает уже красный), как биллиардный шар от другого. Комптон за это отхватил нобелевскую премию.

На этот раз физики поостереглись вот так вот запросто отказываться от волновой природы света, а вместо этого крепко задумались. Наука встала перед ужасающей загадкой: так все-таки свет это волна или частица?

У света, как и у любой волны, есть частота - и это легко проверить. Мы видим разные цвета, потому что каждый цвет это просто разные частоты электромагнитной (световой) волны: красный - маленькая частота, фиолетовый - большая частота.
Но удивительно: длина волны видимого света в пять тысяч раз больше размера атома - как такая "штука" влезает в атом, когда атом поглощает эту волну? Если только фотон это частица, сопоставимая по размерам с атомом. Фотон одновременно и большой и маленький?

К тому же фотоэффект и эффект Комптона однозначно доказывают, что свет это все-таки поток частиц: нельзя объяснить каким образом волна передает энергию локализованным в пространстве электронам - если бы свет был волной, то некоторые электроны были бы выбиты позднее, чем другие, и явление фотоэффекта мы бы не наблюдали. Но в случае потока отдельно взятый фотон сталкивается с отдельно взятым электроном и при некоторых условиях выбивает его из атома.

В итоге было решено: свет это одновременно и волна и частица. Вернее, и ни то и ни другое, а новая неизвестная ранее форма существования материи: наблюдаемые нами явления это всего лишь проекции или тени реального положения дел, в зависимости от того как смотреть на происходящее. Когда мы смотрим на тень цилиндра, освещенного с одной стороны, то видим круг, а при освещении с другой стороны - тень прямоугольная. Так и с корпускулярно-волновым представлением света.

Но и тут все непросто. Нельзя говорить, что мы считаем свет либо волной, либо потоком частиц. Посмотрите в окно. Внезапно даже в чисто вымытом стекле мы видим свое, пусть нечеткое, но отражение. В чем подвох? Если свет - это волна, то объяснить отражение в окне просто - подобные эффекты мы видим на воде, когда волна отражается от препятствия. Но если свет - это поток частиц, то объяснить отражение так просто не получится. Ведь все фотоны одинаковы. Однако если все они одинаковы, то и преграда в виде оконного стекла должна одинаково на них воздействовать. Либо все они проходят сквозь стекло, либо все — отражаются. А в суровой реальности часть фотонов пролетает через стекло, и мы видим соседний дом и тут же наблюдаем свое отражение.

И единственное объяснение, которое приходит в голову: фотоны сами себе на уме. Нельзя со стопроцентной вероятностью предсказать, как поведет себя конкретный фотон - столкнется со стеклом как частица или как волна. Это основа квантовой физики - совершенно, абсолютно случайное поведение материи на микроуровне без какой-либо причины (а в своем мире больших величин мы по опыту знаем, что все имеет причину). Это идеальный генератор случайных чисел в отличие от подбрасываемой монетки.

Гениальный Эйнштейн, открывший фотон, до конца жизни был уверен, что квантовая физика ошибается, и уверял всех, что "Бог не играет в кости". Но современная наука все более подтверждает: таки играет.

Так или иначе, но как-то раз ученые решили поставить жирную точку в споре "волна или частица" и воспроизвести опыт Юнга с учетом технологий XX века. К этому времени они научились пулять фотонами по одному (квантовые генераторы, известные среди населения под именем "лазеры"), и посему было задумано проверить, что будет на экране в случае, если выстрелить по двум щелям одной частицей: вот и станет понятно, наконец, чем же является материя при контролируемых условиях эксперимента.

И внезапно - одиночный квант света (фотон) показал интерференционную картинку, то есть частица пролетала через обе щели одновременно, фотон интерферировал сам с собой (если говорить ученым языком). Уточним технический момент - на самом деле интерференционную картинку показал не один фотон, а серия выстрелов по одной частице с интервалами в 10 секунд - со временем на экране проявились юнговские полосы, знакомые любому троечнику с 1801-го года.

С точки зрения волны это логично - волна проходит через щели, и теперь две новые волны расходятся концентрическими кругами, накладываясь друг на друга.
Но с корпускулярной точки зрения получается, что фотон находится в двух местах одновременно, когда проходит через щели, а после прохождения смешивается сам с собой. Это вообще нормально, а?
Оказалось, что нормально. Более того раз фотон находится сразу в двух щелях, значит он одновременно находится везде и до щелей и после пролета через них. И вообще с точки зрения квантовой физики выпущенный фотон между стартом и финишем находится одновременно "везде и сразу". Такое нахождение частицы "сразу везде" физики называют суперпозицией - страшное слово, которое раньше было математическим баловством, теперь стало физической реальностью.

Некий Э. Шредингер, известный противник квантовой физики, к этому времени нарыл где-то формулу, которая описывала волновые свойства материи, типа воды. И немного над ней поколдовав, к своему же ужасу вывел так называемую волновую функцию. Эта функция показывала вероятность нахождения фотона в определенном месте. Заметьте, именно вероятность, а не точное местонахождение. И эта вероятность зависела от квадрата высоты гребня квантовой волны в заданном месте (если кому-то интересны детали).

Вопросам измерения местонахождения частиц мы посвятим отдельную главу.

Дальнейшие открытия показали, что дела с дуализмом еще хуже и загадочнее.
В 1924 году некий Луи де Бройль взял и заявил, что корпускулярно-волновые свойства света это верхушка айсберга. А таким непонятным свойством обладают все элементарные частицы.
То есть частицей и волной одновременно являются не только частицы электромагнитного поля (фотоны), но и вещественные частицы типа электронов, протонов и т.п. Вся материя вокруг нас на микроскопическом уровне является волнами (и частицами одновременно).

И спустя пару лет это даже подтвердили экспериментально - американцы гоняли электроны в электронно-лучевых трубках (которые известны нынешним старперам под названием "кинескоп") - так вот наблюдения, связанные с отражением электронов, подтвердили, что электрон это тоже волна (для простоты понимания можно сказать, что на пути электрона поставили пластинку с двумя щелями и лицезрели интерференцию электрона как она есть).

К настоящему времени в опытах обнаружено, что и атомы имеют волновые свойства и даже некоторые специальные виды молекул (так называемые "фуллерены") проявляют себя как волна.

Пытливый ум читателя, который еще не ошалел от нашего повествования, спросит: если материя это волна, то почему, например, летящий мячик не размазан в пространстве в виде волны? Почему реактивный самолет никак не походит на волну, а очень похож на реактивный самолет?

Де Бройль, чертяка, и тут все объяснил: таки-да, летящий мячик или "боинг" это тоже волна, но длина этой волны тем меньше, чем больше импульс. Импульс это масса, умноженная на скорость. То есть, чем больше масса материи, тем меньше длина ее волны. Длина волны мяча летящего со скоростью 150 км/час будет приблизительна равна 0,00метра. Поэтому мы не в состоянии заметить, как мячик размазан по пространству в качестве волны. Для нас это твердая материя.
Электрон же весьма легкая частица и, летящий со скоростью 6000 км/сек, он будет иметь заметную длину волны в 0,0000000001 метра.

Кстати, сразу ответим на вопрос, почему ядро атома не настолько "волновое". Хоть оно и находится в центре атома, вокруг которого, ошалев, летает и в то же время размазывается электрон, оно имеет приличный импульс, связанный с массой протонов и нейтронов, а также высокочастотным колебанием (скорость) из-за существования внутри ядра постоянного обмена частицами сильного взаимодействия (читайте тему ). Поэтому ядро больше походит на привычную нам твердую материю. Электрон же, по-видимому, является единственной частицей с массой, у которой ярко выражены волновые свойства, вот его все с восторгом и изучают.

Вернемся к нашим частицам. Так что получается: электрон, вращающийся вокруг атома это одновременно и частица и волна. То есть вращается-то частица, и в то же время электрон как волна представляет собой оболочку определенной формы вокруг ядра - как это вообще можно понять человеческим мозгом?

Выше мы уже подсчитали, что летающий электрон имеет довольно огромную (для микромира) длину волны и чтобы разместиться вокруг ядра атома такой волне нужно неприлично много места. Вот как раз именно этим и объясняются такие большие размеры атомов по сравнению с ядром. Длины волн электрона определяют размер атома. Пустое место между ядром и поверхностью атома заполнено "размещением" длины волны (и в то же время частицы) электрона. Это очень грубое и некорректное объяснение - просим нас простить - на самом деле все гораздо сложнее, но наша цель - хотя бы позволить отгрызть кусочек гранита науки людям, которым все это интересно.

Давайте еще раз проясним! После некоторых комментариев к статье [на ЯПе] мы поняли, какого важного замечания не хватает этой статье. Внимание! Описываемая нами форма материи не является ни волной ни частицей. Она лишь (одновременно) имеет свойства волны и свойства частиц. Нельзя говорить, что электромагнитная волна или электронная волна подобны морским или звуковым волнам. Привычные нам волны представляют собой распространение возмущений в пространстве заполненным каким-либо веществом.
Фотоны, электроны и прочие экземпляры микромира при движении в пространстве можно описать волновыми уравнениями, они по поведению лишь ПОХОЖИ на волну, но ни в коем случае волной не являются. Аналогично и с корпускулярной строной материи: поведение частицы похоже на полет маленьких точечных шариков, но это ни разу не шарики.
Это нужно понять и принять, иначе все наши размышления будут в конечном счете приводить к поиску аналогов в макромире и тем самым пониманию квантовой физики придет конец, и начнется фричество или шарлатанская философия навроде квантовой магии и материальности мыслей.

Остальные ужасающие выводы и следствия из модернизированного опыта Юнга мы рассмотрим позже в следующей части - неопределенность Гейзенберга, кошка Шредингера, принцип запрета Паули и квантовая запутанность ждут терпеливого и вдумчивого читателя, который еще не раз перечитает наши статьи и покопается в интернете в поисках дополнительной информации.

Всем спасибо за внимание. Приятной всем бессонницы или познавательных кошмаров!

NB: Прилежно напоминаем, что все изображения взяты из гугла (поиск по картинкам) - авторство определяется там же.
Незаконное копирование текста преследуется, пресекается, ну, и сами знаете. ..

Как я уже неоднократно подчеркивал, эксперимент вообще ничего не значит, пока он не интерпретирован теорией.

(Макс Борн)

Я вспоминаю дискуссии с Бором… После окончания одной из них я отправился прогуляться в соседний парк и вновь и вновь задавал себе один и тот же вопрос: «Неужели природа столь нелепа, как представляется нам в наших атомных экспериментах?»

(Вернер Гейзенберг)

Вторым революционным событием в физике XX в. по праву можно считать создание квантовой теории. И поныне мы не можем назвать ни одного другого научного открытия, которое столь решительно изменило бы наше представление о том, что реально в физическом мире и как ведет себя природа.

При обсуждении квантовой теории мы не будем придерживаться хронологической последовательности событий и останавливаться на тех или иных математических достижениях или блестящих экспериментах. Дело в том, что используемая в квантовой теории математика далеко не элементарна; она включает в себя такие разделы, как теория дифференциальных уравнений и теория вероятностей. Изложить популярно столь высокие материи не просто. Но смею заверить читателя, что и в квантовой теории математика играет столь же важную роль и служит таким же незаменимым инструментом познания природы, как и в тех областях естествознания, о которых мы говорили раньше.

Квантовая теория занимается изучением атомной структуры материи, и до сих пор не все проблемы и даже явные противоречия в ней разрешены. Мы все еще находимся на довольно ранней стадии развития в той области науки, которую часто называют микрофизикой в противоположность макрофизике, занимающейся, как правило, изучением крупномасштабных явлений. Квантовая теория «копает» гораздо глубже того уровня, о котором нам могут что-либо рассказать наши органы чувств, например зрение или осязание, так как даже в электронный микроскоп различимы только очень большие атомы. Квантовая теория занимается изучением невидимого безмолвного мира. И хотя этот мир сам по себе неощутим, производимые им эффекты столь же реальны, как стол, стул и наше собственное тело. Возможно, наиболее близко этому миру электромагнитное излучение. Мы не воспринимаем его физически, но его воздействие известно каждому. Вспомним, к примеру, радио или телевидение.

Природа некоторых открытий квантовой теории не до конца понятна, тем не менее, они нашли практическое воплощение. Атомная бомба - реальность, и нам приходится считаться с ней гораздо больше, чем с некоторыми величайшими творениями математической мысли прошлого.

Хотя наши ощущения убеждают нас в том, что звук, свет, вода и вещество в целом непрерывны, вопрос об элементарной структуре всех явлений (например, света) и вещества уходит своими корнями в античную эпоху. Еще Левкипп (V в. до н.э.) и вслед за ним Демокрит из Абдеры (ок. 460-370 до н.э.) учили, что материя состоит из неделимых атомов. (Само слово атом происходит от греческого «атомос» - неделимый.) Демокрит считал, что существует много разновидностей атомов, отличающихся по величине, форме, твердости и порядку положения. Большие тела состоят из множества атомов, отличающихся числом и расположением, но сами атомы неделимы. И Левкипп, и Демокрит заявляли, что все чувственные восприятия - лишь видимости, порождаемые различными расположениями атомов. В то время как форму, размеры и другие перечисленные выше качества древние атомисты считали реальными физическими свойствами атомов, остальные качества, такие, как вкус, тепло и цвет, по их мнению, не присущи самим атомам, а являются результатом воздействия атомов на человека. Чувственное знание ненадежно, ибо оно зависит от ощущения субъекта.

Иных взглядов придерживался Аристотель. Согласно его учению, восходящему к Эмпедоклу (490-430 до н.э.), в основе всего лежат четыре элемента - земля, огонь, воздух и вода, свойства которых в той или иной степени присущи всем вещам. Комбинациями этих сущностей, возникающими под действием притяжения (любви) и отталкивания (ненависти), объясняются все явления в мире. В действительности древним грекам (и даже их предшественникам) были известны и другие элементы, например медь, олово и ртуть, но ни Аристотель, ни его последователи не брали их в расчет. Аристотель считал, что атомы делимы (даже бесконечно делимы), поэтому материя, по его мнению, непрерывна и мельчайших структурных частиц не существует. Взгляды Аристотеля господствовали в Европе, подавляя все иные воззрения, до XVI в.

С XVII в. и вплоть до начала XX в. признание получила теория, согласно которой атомы неделимы. Предполагалось, что атомы различных химических элементов, например водорода, кислорода, меди, золота и ртути, различны. Считалось также, что атомы одного и того же элемента одинаковы по весу, а атомы различных элементов имеют разный вес. Обычные вещества, скажем, вода, состоят из молекул, представляющих собой комбинации различных атомов. Именно эти представления были положены в основу современной химии. Первые шаги к ее созданию предпринял Роберт Бойль (1627-1691) в сочинении «Химик-скептик» (1661).

Более глубокое изложение основ химии (согласующееся со взглядами Бойля) предложил в 1803 г. Джон Дальтон (1766-1844). Основная идея Дальтона заключалась в следующем: многие законы химии можно без труда объяснить, если предположить, что каждому химическому элементу соответствуют специфические атомы. Каждое вещество состоит из определенных комбинаций различных «сортов» неделимые атомов.

К 60-м годам XIX в. было известно около шестидесяти различных типов атомов. В том же десятилетии Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907) предпринял попытку классифицировать известные химические элементы, расположив их в порядке возрастание атомных весов. Он обратил внимание на то, что среди первых шестнадцати элементов химические свойства повторяются через семь элементов на восьмой. Менделеев обнаружил также, что если подмеченную им закономерность распространить на остальные элементы, расположенные в порядке возрастания атомных масс, то наблюдаемая повторяемость химических свойств наводит на мысль о необходимости оставлять в системе классификации кое-где «пустые клетки». Менделеев счел вполне обоснованным предположить, что такие «клетки» принадлежат пока еще неизвестным элементам. Необходимость поиска неведомых элементов не вызывала у Менделеева ни малейших сомнений, и вскоре было действительно открыто три новых элемента (называемые ныне скандием, галлием и германием), свойства которых Менделеев предсказал заранее, опираясь на установленную им систему периодичности химических свойств. Дальнейшие исследования внесли некоторые изменения в периодическую систему Менделеева, но открытая им последовательность элементов и поныне составляет основу современной периодической системы. Хотя Менделеев понимал, что не располагает физическим объяснением выявленной им закономерности в свойствах химических элементов, он всячески отстаивал важность использования закона периодичности для поиска новых элементов, определения их атомных масс и предсказания химических свойств, в частности способности образовывать соединения с другими элементами.

Элементы, как известные ранее, так и предсказанные Менделеевым и обнаруженные впоследствии другими исследователями, расположены в порядке возрастания сложности строения их атомов и соответственно перенумерованы. Например, водород значится в периодической системе под номером 1. Под номером 2 стоит гелий, и так далее до элемента с номером 103 - лоуренсия. Атомные массы элементов показывают, во сколько раз атом данного элемента «тяжелее» атома водорода. Атомная масса водорода принята за 1, атомная масса гелия равна 4 и так далее до атомной массы лоуренсия, равного 257.

Хотя спор о неделимости атомов продолжался до начала XX в., большинство естествоиспытателей склонялись к мнению, что атомы неделимы и являются мельчайшими составными частями материи. В 1907 г. Кельвин заявил, что атом неразрушим. Однако некоторые замечательные открытия ниспровергли утвердившееся было мнение о неделимости атома. В 70-х годах XIX в. становилось все более очевидным, что атом, возможно, состоит из каких-то более мелких частиц. В 1897 г. Джозеф Джон Томсон (1856-1940) экспериментально доказал, что атом действительно состоит из частиц, и, в частности, с высокой точностью измерил электрический заряд и массу очень легких заряженных частиц, получивших название «электрон». В 1900 г. Хендрик Антон Лоренц подтвердил существование таких отрицательно заряженных частиц. Масса электрона оказалась равной примерно 10 ? 27 г (точнее 0,91 10 ? 27 г), что почти в 2000 раз меньше массы самого легкого из атомов - водорода. Заряд электрона также невообразимо мал: около 4,80325 10 ?10 электростатических единиц. Примерно в 1903 г. Хантаро Нагаока в Токио предложил так называемую «модель Сатурна», согласно которой расположенное в центре ядро было окружено вращающимися вокруг него электронами. Это была первая попытка порвать с традиционным убеждением в неделимости атома.

Атомная теория в те годы выглядела весьма примитивно. Она утверждала, что все атомы состоят из протонов (заряженных положительно) и электронов. Считалось, что протоны образуют ядро атома. Вскоре стало ясно, что масса атома почти полностью сосредоточена в ядре. Самое малое из ядер - ядро атома водорода - имеет массу 1,6726 10 ?24 г. Вокруг ядра любого атома располагаются электроны, число которых равно атомному номеру.

Еще один удар по традиционной теории был нанесен в 1896 г., когда Антуан Анри Беккерель (1852-1908) совершенно случайно открыл радиоактивность. Изучением этого явления занялись супруги Пьер Кюри (1859-1906) и Мария Склодовская-Кюри (1867-1934). Стало очевидно, что атом обладает гораздо более сложной структурой, чем предполагалось. О природе радиоактивности мы расскажем чуть позднее. Но вскоре стало ясно, что ядра некоторых атомов, в частности очень тяжелых атомов, обладают способностью испускать частицы и электромагнитное излучение, получившие соответственно названия альфа- и бета-частиц и гамма-излучения. Альфа-частицы - это ионизованные атомы гелия, бета-частицы - электроны, а гамма-излучение - электромагнитное излучение очень высокой частоты. Выяснилось, что при испускании альфа-частицы атом превращается в атом более легкого элемента. В ранних работах по строению атома продукты радиоактивного распада использовались для изучения частиц, составляющих атомное ядро.

К 1910 г. Эрнест Резерфорд (1871-1937), экспериментировавший с радиоактивными атомами, пришел к мысли, что атом по своему строению напоминает Солнечную систему, в которой вокруг расположенного в центре Солнца обращаются планеты. В модели атома Резерфорда вокруг расположенного в центре ядра по различным орбитам двигались электроны. Резерфорд был абсолютно уверен в том, что объем ядра не превышает «одной миллионной от одной миллионной» (т.е. 10 ?12) объема атома. Например, в атоме золота (атомный номер 79) вокруг ядра движется 79 электронов. Атомное ядро в модели Резерфорда состояло главным образом из протонов, о чем мы уже упоминали. Но для восполнения «недостающей» массы ядра Резерфорд предположил, что оно помимо протонов содержит также электрически нейтральные частицы, которые он назвал нейтронами. Ядра с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов называются изотопами.

Пока Резерфорд и другие исследователи изучали атом, строили его модели, Макс Планк (1858-1947) в 1900 г. совершил необычайно важное открытие, оказавшее влияние на все последующее развитие атомной физики. Планк занимался изучением так называемого теплового излучения, или излучения абсолютно черного тела. Известно, например, что раскаленный докрасна металл излучает свет, который, как мы знаем, является одной из разновидностей электромагнитного излучения. Опираясь в основном на интуитивные физические представления, Планк выдвинул в 1900 г. гипотезу (теоретически пока не обоснованную), согласно которой излучение испускается не сплошным, непрерывным «потоком», а небольшими порциями, или квантами, энергия которых зависит от частоты излучения, испускаемого атомом. Энергия излучения, согласно Планку, определяется по формуле

E = nhv ,

где n - число испущенных квантов, которое может быть равно 0, 1, 2, …; h - постоянная, называемая ныне постоянной Планка (h = 6,626 10 ?34 Дж с = 6,686 10 ?27 эрг c ~ 10 ?26 эрг с), v - частота излучения, состоящего из квантов подобно тому, как, например, волны на воде состоят из молекул воды. Излучение, допустим, свет, кажется непрерывным, так как число образующих его квантов очень велико. Так, число квантов, испускаемых за 1 с обычной 100-ваттной электрической лампой, составляет порядка 10 20 .

Падая на поверхность металла, свет с частотой v высвобождает энергию. Из формулы Планка следует, что энергия каждого электрона, выбитого из поверхности металла, пропорциональна hv . Позднее кванты излучения стали называть фотонами. Формула Планка была гипотезой, счастливой догадкой, плодом замечательной физической интуиции. Однако Планку понадобилось произвести немало математических выкладок, чтобы изложить свои рассуждения и хотя бы в какой-то мере придать им убедительность.

Эйнштейн в своей работе по фотоэлектрическому эффекту (1905), в детали которой мы намеренно не будем входить, ибо это увело бы нас далеко в сторону, не только подтвердил формулу Планка, но и сумел найти ей применение. Свет, освещая поверхность металла, выбивает из нее электроны. Из гипотезы Планка следовало, что падающее на поверхность металла излучение состоит из квантов, каждый из которых несет энергию hv . Энергия каждого вылетевшего из металла электрона пропорциональна hv . Гипотеза квантов позволила Эйнштейну объяснить взаимодействие света и атомов, образующих поверхность металла. Выбивание электронов происходит только при достаточно высокой энергии квантов, т.е. при больших частотах, но не зависит от интенсивности света. Что же касается числа выбиваемых электронов, то оно действительно определяется интенсивностью света. Работы Планка и Эйнштейна вновь подняли проблему: из чего состоит электромагнитное излучение и, в частности, свет? Из волн или из частиц? К этой проблеме мы обратимся в дальнейшем. А пока заметим лишь то, что уже ясно из сказанного: электромагнитное излучение ведет себя и как волны, и как частицы.

Но вернемся к работам, связанным с изучением структуры атома. Модель Резерфорда не позволяла объяснить, почему электроны, обращающиеся вокруг ядра, не испускают света или энергии какого-нибудь другого вида, как того требует теория электромагнитного поля, и не падают по спирали на ядро. Нильс Хенрик Давид Бор (1885-1962) «вгляделся» в структуру атома пристальнее, чем его предшественники. Приняв за исходную планетарную модель Резерфорда, Бор на основании некоторых математических соображений постулировал, что электроны в атоме не излучают, если движутся по вполне определенным («разрешенным») орбитам подобно тому, как движутся планеты. Обращающийся вокруг атомного ядра электрон обладает энергией, а именно механической энергией, которую имеет любой объект, обращающийся вокруг центрального тела. Но стоит лишь электрону перейти с одной орбиты на другую, как он либо испускает, либо поглощает излучение. И испускание, и поглощение энергии происходят скачками. Каждый скачок представляет собой квант энергии, его величина кратна hv . При поглощении атомом излучения электрон переходит с внутренней, более близкой к ядру, орбиты на внешнюю, - более далекую от ядра. При обратном переходе, напротив, атом излучает кванты, или фотоны.

Теория Бора объясняла далеко не все результаты, касающиеся частот испускаемого атомами излучения, поэтому работа по выяснению структуры атома продолжалась.

До сих пор речь шла о квантах, или фотонах, т.е. о «частицах» электромагнитного излучения. В 1922 г. на сцене появился Луи Виктор де Бройль (1892-1987); он высказал идею, которая стала центральной в разделе физики, получившем название «волновая механика». Зная о корпускулярных свойствах световых волн (о фотонах), де Бройль задумался над вопросом: если световые волны могут вести себя и как частицы, и как волны, то почему бы аналогичным образом не вести себя частицам? Нельзя ли с любым веществом связать волны? Следовало попытаться определить частоту и скорость волн материи.

Пользуясь методами математической теории дифференциальных уравнений с частными производными, де Бройль установил, что длина волны ? к любой частицы должна быть равна постоянной Планка h , деленной на произведение массы частицы m и ее скорости v , т.е.

? = h /mv .

Произведение mv называется импульсом частицы и обычно обозначается p. Для частиц массой 1 г, движущейся со скоростью 1 см/с, длина волны де Бройля ? = 10 ?26 см, т.е. в 10 млн. раз меньше размеров атомного ядра. Следовательно, в шкале масштабов окружающего нас макроскопического мира все объекты чудовищно велики по сравнению с длинами соответствующих им волн материи, поэтому мы не наблюдаем этих волн.

Развивая идею де Бройля о том, что всем микрочастицам и, в частности, электронам соответствуют волны, Эрвин Шрёдингер (1887-1961) вывел в 1926 г. дифференциальное уравнение с частными производными для так называемой ?- функции, описывающей форму этих волн. Решая уравнение Шрёдингера, мы находим параметры волн. Его решения называются собственными, или характеристическими, функциями. Если коэффициентам, входящим в уравнение Шрёдингера, придать конкретные численные значения, то эти функции отличны от тождественного нуля только при определенных значениях некоторой постоянной. Эти значения называются собственными, или характеристическими. Дискретные значения энергии электронов в атоме оказываются собственными значениями волнового уравнения Шрёдингера и согласуются с теми величинами, которые дает теория Бора.

Следующая весьма грубая картина позволит нам хотя бы в общих чертах понять, как ведут себя волны электронов в представлении Шрёдингера. На рис. 38 показана часть волны протяженностью 2?. Если такую волну создать, проведя смычком по скрипичной струне, то она будет колебаться вверх-вниз, занимая положения, показанные сплошной и штриховой кривыми. Можно возбудить и некую последовательность волн, длины которых составляют лишь дробные части основной длины волны (например, половину и треть ее). В представлении Шрёдингера полная волна, соответствующая любому электрону, окружая ядро, может простираться на две, три и даже пять основных длин волн. В каждом случае в полной волне электрона укладывается целое число основных волн и конец последней волны совпадает с началом первой (на рис. 38 точка B должна совпадать с точкой A )

Введенная Шрёдингером ?- функция задает амплитуду волн материи, изменяющихся от точки к точке и от одного момента времени к другому. Это стоячие волны, сосредоточенные преимущественно в небольшой области пространства вблизи ядра. По мере увеличения расстояния от ядра волны постепенно затухают, но амплитуда их остается отличной от нуля в области, размеры которой совпадают с экспериментально установленными размерами соответствующего атома. Например, для атома водорода, находящегося в основном (самом нижнем) энергетическом состоянии, амплитуда волн заметно отлична от нуля только в пределах сферы диаметром около 10 ?8 см. Для любого атома решение волнового уравнения Шрёдингера позволяет получить дискретный набор волн атомных электронов, и с каждым состоянием атома оно связывает определенное значение энергии.

Подчеркнем еще раз, что волна Шрёдингера, описывающая электрон в атоме, представляет не простую волну с одной-единственной частотой, а состоит из целого набора волн с различными частотами. В этом отношении волна Шрёдингера аналогична сложным звуковым волнам, создаваемым музыкальными инструментами.

В связи с волнами де Бройля - Шрёдингера естественно напрашивается вопрос: из чего они «сделаны», или, иначе говоря, из чего они состоят? Подобный вопрос вставал перед физиками и в XIX в., когда было открыто световое и другие виды электромагнитного излучения. Сначала физики полагали, что электромагнитные волны представляют собой колебания таинственной субстанции, называемой эфиром, и придумывали различные механические модели, объясняющие действие эфира. Но со временем физики поняли несостоятельность такого рода идей и стали считать электромагнитные волны самостоятельными сущностями. Нечто похожее произошло и с волнами электронов. Первоначально Шрёдингер предположил, что эти волны действительно описывают распределение заряда электрона, т.е. что в атоме заряд и плотность электрона физически распределены в той области пространства, где амплитуда волны отлична от нуля. Но ничего подобного не наблюдалось. Наоборот, после открытия электрона выяснилось, что весь его заряд сосредоточен в небольшой области пространства и что электрон имеет корпускулярную природу.

Строго говоря, когда мы рассуждаем о возможных видах волн, соответствующих различным энергетическим состояниям электрона, то имеем в виду один электрон, не испытывающий воздействия других частиц. Если же в атоме много электронов, то они утрачивают свою «индивидуальность» и соответствующие им волны сливаются в общую волну, «одну на все электроны».

В представлении Шрёдингера электроны подобны облакам с переменной плотностью. Они трехмерны. Электронные облака образуют несколько «ярусов» вокруг ядра. Плотность каждого облака возрастает от нуля до максимума и снова убывает до нуля. Электронные облака простираются и за пределы атома, но для каждого электрона их плотность максимальна на таком расстоянии от ядра, которое предсказывается теорией Бора. Электронное облако как интерпретация абстрактного математического понятия с неизбежностью неточно. Представить себе наглядно без ущерба для точности ?- функцию Шрёдингера невозможно. Нахождение аналитических решений уравнения Шрёдингера - задача настолько трудная, что решить ее удается лишь в отдельных исключительных случаях. Тем не менее полученные решения превосходно согласуются с экспериментальными данными, а другие решения, хотя и приближенные, также достаточно хорошо соответствуют результатам экспериментов. В частности, удалось полностью решить уравнение Шрёдингера для случая атома водорода. Полученное решение позволяет ответить на любой вопрос, допускающий экспериментальную проверку.

То, что электроны при определенных условиях ведут себя как волны, было продемонстрировано в 1927 г. знаменитым экспериментом Клинтона Дж. Дэвиссона (1881-1958) и Лестера Джермера (1896-1971) и независимо Джорджем П. Томсоном (1892-1975). Все эти исследователи обнаружили дифракцию электронов (в качестве дифракционной решетки использовался кристалл) Дифракция как явление, состоит в том, что волны огибают встречающееся на пути препятствие и заходят за него в область «тени». Нечто подобное мы наблюдаем, когда волны на воде огибают корпус судна. Опыты Дэвиссона и Джермера, а также Томсона показали, что в некоторых случаях частицы ведут себя как волны. Физики окончательно убедились в том, что всем субатомным частицам соответствуют свои волны, длины которых определяются формулой де Бройля. Так, работы де Бройля и Шрёдингера выдвинули на передний план понятие корпускулярно-волнового дуализма (волна - частица), доставившее немало хлопот и физикам, и философам.

Несмотря на экспериментальное подтверждение того, что электроны при определенных условиях ведут себя как волны, далеко не все физики смирились с представлением об электронах, «размазанных» вокруг атомного ядра. Некоторые усматривали, в частности, противоречие в следующем: с одной стороны, в любой физически бесконечно малой области плотность заряда электрода должна быть бесконечно мала, а с другой - электрический заряд электрона является величиной вполне определенной. Все электрические заряды кратны заряду электрона. Руководствуясь этими соображениями и пытаясь избежать корпускулярно-волнового дуализма, Макс Борн (1882-1970) в 1926 г. предложил совершенно иную интерпретацию теории Шрёдингера: ввел ее вероятностную интерпретацию.

Теория вероятностей вошла в математику благодаря случаю, а именно в связи с задачами об азартных играх. Но в конце XIX в. Максвелл и Людвиг Больцман (1844-1906), воспользовавшись в своих исследованиях вероятностными соображениями, пришли к законам, описывающим движение газов, - к кинетической теории газов. Одна из знаменитых работ, опубликованных Эйнштейном в 1905 г., также была посвящена вероятностной задаче о так называемом броуновском движении. Вместо того чтобы рассматривать электрон как распределенный в некоем пространственном облаке, плотность которого меняется от точки к точке, Борн интерпретировал плотность как вероятность обнаружить электрон как частицу в той или иной точке пространства.

Обращаясь к ?- функции, входящей в дифференциальное уравнение Шрёдингера, Борн предложил трактовать величину ? как вероятность того, что частица находится в данном элементе пространства в данный момент времени. Следовательно, местонахождение электронов как частиц может быть указано лишь с большей или меньшей вероятностью. Например, если в некоторой области пространства |?| 2 = 0,8 , то вероятность обнаружить частицу (электрон) в ней составляет 80 шансов из 100. Вероятностная интерпретация Борна общепринята и поныне.

Такой подход позволяет точно оценивать, с какой вероятностью электрон может находиться в любом данном объеме. При подобной интерпретации электрон локализован, а не «размазан», как в волновой механике Шрёдингера. Тем не менее остается вопрос, является ли вероятностная интерпретация наилучшей из возможных или же она просто порождена неполнотой наших представлений об электроне.

Использование вероятности может показаться отчаянной попыткой спасти положение, но статистическая механика убедительно доказала ценность вероятностного подхода. Любой газ представляет собой совокупность множества хаотически движущихся молекул, однако давление газа и другие его свойства удается вычислять на основе наиболее вероятных значений, и эти параметры имеют физический смысл.

Эйнштейн, Планк и Шрёдингер выступали против вероятностной интерпретации квантовой механики. Свои возражения Эйнштейн, в частности, изложил в 1955 г., аргументируя их ссылкой на приближенный характер и неполноту квантовой теории:

Я отвергаю основную идею современной статистической квантовой теории… Я не верю, что такая фундаментальная концепция может стать надлежащей основой для всей физики в целом… Я твердо убежден, что существенно статистический характер современной квантовой теории следует приписать исключительно тому, что эта теория оперирует с неполным описанием физических систем.

((, т. 4, с. 295.))

Хотя вероятностная интерпретация квантовой теории получила широкое признание, в душе некоторых физиков робко теплилась надежда на то, что будущие исследования все же откроют возможность точного и достоверного определения положения электрона в пространстве. Но одна из принципиально новых особенностей квантовой теории как раз и состоит в неизбежности некоторого индетерминизма. Мы имеем в виду принцип неопределенности, открытый в 1927 г. Вернером Гейзенбергом (1901-1976). Грубо говоря, принцип неопределенности утверждает, что невозможно получить одновременно точную информацию и о положении, и о скорости (или импульсе) частицы. Точнее Гейзенберг показал, что произведение неопределенностей в оценке положения и импульса должно быть не менее h/2? (?x ?p ? h = h/2?). Гейзенберг был убежден в правильности сформулированного им принципа и объяснял его тем, что частицы обладают и волновыми, и корпускулярными свойствами. И положение, и импульс частицы можно измерить сколь угодно точно, но только не одновременно, а порознь - либо координату, либо импульс. Тогда же Гейзенберг высказал предположение, что при столь тонких измерениях, как квантовомеханические, становится существенным сам объект, посредством которого производится измерение, - пробная частица.

Этот источник неопределенности начинает играть важную роль потому, что при измерении положения или импульса, например, электрона в качестве пробной частицы можно использовать только либо другие электроны, либо фотоны, но и те и другие оказывают сильное воздействие на исследуемую частицу. Следовательно, в мире атома мы не можем наблюдать явления, не создавая при этом возмущения. Так как положение и скорость микрочастиц невозможно измерить одновременно сколь угодно точно, мы лишены возможности точно предсказывать их поведение. И нам не остается ничего другого, как довольствоваться вероятностными предсказаниями. Наблюдения и эксперименты классической физики здесь ничем не помогут.

Если бы постоянная Планка была достаточно велика, то квантовая неопределенность распространялась бы и на макроскопические явления. Например, мы не могли бы с уверенностью сказать, попадет ли снайпер в мишень, даже тщательно прицелившись. Но вследствие крайне малой величины постоянной Планка между квантовомеханическим миром и нашей макроскопической реальностью нет прямого соответствия. Неопределенность внутренне присуща волновой механике. Что же касается наблюдаемых макроскопических объектов, то неопределенность в определении их положения и импульса очень мала и потому практически неощутима.

Квантовомеханический принцип неопределенности подрывает классическую концепцию объективности, т.е. идею о том, что мир находится во вполне определенном состоянии независимо от наблюдения его. Квантовомеханический подход противоречит нашему повседневному опыту, свидетельствующему в пользу классической концепции объективности, согласно которой мир продолжает существовать своим путем, даже если мы не воспринимаем его. Просыпаясь утром, мы застаем мир примерно таким, каким оставили его накануне вечером. Что же касается квантовомеханической интерпретации принципа неопределенности, то она приводит к иному выводу: стоит вглядеться в мир пристальнее (на атомном уровне), как окажется, что его состояние зависит и от того, каким именно образом мы его наблюдаем и что выбираем за объект наблюдения. Классический идеал объективной реальности нуждается в пересмотре с учетом реальности, создаваемой наблюдателем.

В дальнейшем усилия ученых, занимающихся исследованием структуры атома, сосредоточились в основном на атомном ядре. Явление радиоактивности давало основания считать, что ядро атома отнюдь не является неделимой частицей. Радиоактивные атомы испускают альфа-, бета- и гамма-излучение. Альфа-излучение представляет собой поток альфа-частиц, имеющих положительный электрический заряд, по абсолютной величине вдвое больший заряда электрона, и массу, в четыре раза превосходящую массу атома водорода. Бета-излучение - это поток бета-частиц, т.е. электронов. Наконец, гамма-излучение есть не что иное, как «жесткое» электромагнитное излучение, т.е. характеризующееся самыми высокими из известных частот. Все три вида излучения испускают ядра тяжелых атомов.

Последующие экспериментальные исследования структуры атомного ядра, производимые главным образом на ускорителях - своего рода «молотах», способных расколоть атомное ядро, - показали, что ядро действительно не является цельным, неделимым образованием, а состоит из множества различных частиц: протонов, нейтронов, пионов, состоящих в свою очередь из кварков. Сообщения об открытии новых частиц продолжают поступать и поныне: анализируя результаты экспериментов, физики приходят к выводу о существовании той или иной частицы. Многие частицы, входящие в состав атомного ядра, определенным образом связаны между собой, но для наших целей вполне достаточно того, что они существуют.

Хотя атомное ядро образуют самые различные частицы, основными «строительными блоками» всякого вещества остаются протоны и нейтроны. Из них на 99,99 % состоят наши тела. Ядра всех элементов, которые тяжелее водорода, помимо протонов содержат нейтроны.

Некоторые структурные единицы атомных ядер, как и электроны, обладают волновыми свойствами. В частности, это относится к ядрам атомов водорода и гелия. Вместе с тем при столкновениях ядра ведут себя как частицы.

Множество частиц, как входящих в состав атомного ядра, так и существующих самостоятельно, обладают еще одним удивительным свойством: они способны претерпевать превращения. Например, протон может превращаться в нейтрон с испусканием нейтрино и позитрона, обладающего такой же массой, как электрон, но имеющего положительный заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона. (Существование позитрона предсказал в 1932 г. Поль А.М. Дирак (1902-1984), руководствуясь чисто теоретическими соображениями.) Возможно и обратное превращение: нейтрон, испуская электрон и нейтрино, переходит в протон.

Квант электромагнитного поля, или фотон, - если он обладает достаточной энергией - может, взаимодействуя с электрическим полем атомного ядра, породить пару электрон - позитрон. Существует и обратный процесс, в котором электрон и позитрон при соударении исчезают (аннигилируют), образуя два фотона.

Таким образом, можно сказать, что способность претерпевать разнообразные превращения является основным свойством элементарных частиц, многие из которых нестабильны и получаются в лаборатории или образуются в космическом излучении. Протоны и электроны, насколько это известно в настоящее время, относятся к стабильным частицам, т.е. не распадаются на другие элементарные частицы. Правда, современные гипотетические модели так называемого Великого объединения предполагают, что протон претерпевает распад, но, видимо, не чаще, чем примерно раз за 10 30 лет.

Картина микромира еще более усложняется существованием античастиц. Это группа элементарных частиц, массы и ряд других физических характеристик которых имеют ту же величину, что и у их «двойников», в то же время некоторые их характеристики (например, электрический заряд) противоположны по знаку. Как уже говорилось, при столкновении электрона и позитрона образуются два и более фотонов. Столкновение протона и антипротона приводит к возникновению мезонов. Подобно тому как из частиц строится вещество, из античастиц может быть построено антивещество.

До сих пор мы ни словом не обмолвились о силах, действующих между частицами. Что удерживает протоны в ядре? Ведь, имея одноименные (положительные) заряды, они должны были бы испытывать электростатическое отталкивание. Помимо уже известных нам взаимодействий, гравитационного и электромагнитного, физики постулировали существование слабого и сильного взаимодействий; последнее и удерживает протоны и нейтроны в ядре. Разработанная в 70-е годы теория электрослабого взаимодействия указывает на единую природу электромагнитного и слабого взаимодействий (она получила убедительное экспериментальное подтверждение). Ученые ведут исследования по созданию так называемой теории Великого объединения, унифицирующей сильные, слабые и электромагнитные взаимодействия.

К чему же мы пришли после многочисленных попыток создать связную картину микроскопического мира? Понятия и выводы квантовой механики ниспровергают все привычные основы. Они ставят наш «здравый смысл» перед неразрешимыми проблемами, отрицают его или по крайней мере бросают ему вызов. Прежде чем пытаться как-то «сгладить» наши первые впечатления, отметим, что к реальности, с которой имеет дело квантовая теория, следует относиться со всей серьезностью. Мы знаем, что теория атомных структур в полном ее объеме позволяет многое объяснить в строении молекул и даже в химических процессах. Однако существуют более ощутимые и наглядные реальности: атомная бомба, принцип действия которой основан на делении атомных ядер, и водородная бомба, основанная на термоядерном синтезе.

При столкновении атома урана с нейтроном, происходит деление атома урана, при этом часть его массы превращается в огромное количество энергии. При определенных условиях процесс деления может протекать как цепная реакция. На этом принципе основано действие атомной бомбы и ядерного реактора. Такого рода реальность мы уже наблюдали.

Противоположный процесс происходит при термоядерном синтезе, которым еще нужно научиться управлять. Если четыре ядра обычных атомов водорода сливаются в один атом гелия, масса которого чуть меньше учетверенной массы водорода (равна 3,97 атомной массы водорода), то огромное количество энергии выделяется в виде света и тепла. Процесс термоядерного синтеза с превращением водорода в гелий непрерывно происходит на Солнце; именно он является источником солнечной энергии. В земных условиях для термоядерного синтеза используют изотопы водорода - дейтерий и тритий, атомные массы которых соответственно в два и три раза больше массы обычного, «легкого», водорода. Осуществление термоядерного синтеза тяжелого водорода требует невероятно высоких температур.

Интересно, что еще в 1920 г. Оливер Лодж высказал поистине пророческую мысль: «Настанет время, когда атомная энергия придет на смену углю… Я надеюсь, что человеческий род начнет применять эту энергию не раньше, чем у него достанет ума использовать ее должным образом». Но Резерфорд еще в 1933 г. считал мысль об использовании атомной энергии абсурдной.

В нашем, по необходимости, беглом обзоре процессов в микромире мы, помимо прочего, отмечали, что материя в виде частиц может превращаться в излучение (волны) и наоборот, в то же время их квантовомеханическое описание исходит из того, что материя в виде частиц в определенных условиях проявляет волноподобные свойства, а излучение - частицеподобные. Но что же в таком случае представляет собой «подлинная» физическая реальность?

Так, фотон не является волной в традиционном смысле. Это волна-частица, единое образование, обладающее двойственной природой: и волны, и частицы. Аналогичным образом электрон не является частицей в традиционном смысле, это волна-частица. Как именно ведет себя фотон или электрон - как волна или как частица, - зависит исключительно от того, какой эксперимент мы производим над ними. Ни электрон, ни фотон не ведут себя только как волна или только как частица. Если мы ставим эксперимент по дифракции света, то фотон ведет себя как волна. Но если с тем же светом мы исследуем фотоэффект, то фотон ведет себя как частица. В электронных лампах или в телевизионных кинескопах электроны ведут себя как частицы. Но стоит лишь пропустить пучок электронов через кристалл, как мы получим интерференционные эффекты - такие же, как в случае световых волн. В своей книге «Физика и философия» Гейзенберг писал: «Мы наблюдаем не природу саму по себе, а природу в том виде, в каком она открывается нашему умению ставить вопросы».

Естественно спросить: есть ли в таком случае сколько-нибудь существенные различия между частицей-волной и волной-частицей? Такие различия имеются, причем их достаточно много. Наиболее фундаментальное различие опять же связано со скоростью света. В то время как волна-частица никогда не достигает скорости света (в противном случае ее масса обратилась бы в бесконечность), частица-волна, будучи световой волной, имеет скорость, в точности равную скорости света. Частица-волна фотон не может иметь отличную от нуля массу покоя (т.е. обладать массой, если фотон не движется), ибо при движении со скоростью света масса фотона была бы бесконечной. Что же касается волны-частицы, то ее масса покоя не равна нулю. Можно назвать и другие различия.

Однако в данном случае нам важно подчеркнуть тот основной вывод, к которому вплотную подводит нас современное развитие физики элементарных частиц в симбиозе с космологией, а именно, что все вещество в наблюдаемой нами Вселенной нестабильно. Атомные ядра могут превращаться в лептоны, например в электроны, позитроны, кванты электромагнитного излучения (фотоны) и т.д. В свою очередь элементарные частицы могут исчезать и возникать, превращаясь друг в друга. К этому еще следует добавить, что мы живем в расширяющейся Вселенной. Естественно возникает вопрос: а есть ли вообще в этой изменчивой картине разнообразных трансформаций нечто вечное, неизменное и стабильное? На этот счет высказываются разные мнения.

Во всяком случае субстанция, в ее традиционном понимании неуничтожимая, делимая, телесная, твердая и протяженная, исчезла из наших рук и более не существует. Мы располагаем лишь некоторой совокупностью массы и энергии. Общая сумма их сохраняется, но любое из ее слагаемых может превращаться в другое. Например, при некоторых взаимодействиях частиц (скажем их столкновения в ускорителях) рождаются новые частицы, но наряду с ними присутствуют и частицы, находившиеся в пучке с самого начала. Как такое возможно? Энергия, сообщаемая частице в ускорителе, превращается в массу. Как известно, энергия и масса связаны между собой формулой Эйнштейна E = mc 2 . Всюду, где присутствует энергия, присутствует и масса. Энергия и масса - взаимодополняющие проявления реальности, не поддающиеся наглядной интерпретации. Не всякое макроскопическое описание применимо к микроскопическим явлениям, как и не всякий вопрос, имеющий смысл в рамках ньютоновской физики, имеет разумный ответ в области атомных явлений.

Но коль скоро вся материя состоит из квантов и частиц, то почему мы не замечаем их в повседневной жизни? По той простой причине, что даже пылинка окажется горой по сравнению с любой субатомной частицей. Если бы такие частицы двигались даже с очень малой скоростью (с какой они никогда не движутся), то и тогда длина волны де Бройля была бы слишком незначительна, чтобы заметить эффекты квантования движения. Есть все основания утверждать, что когда мы выходим за рамки мира атомных явлений и приближаемся к миру обычных макроскопических явлений, квантовые понятия переходят в понятия классические. Последние действуют в мире промежуточных масштабов, или мезомасштабов, но не применимы ни к атомному, ни к космологическому мирам.

Квантовая теория с большой точностью предсказывает результаты экспериментов. Но в рамках ее адекватное понимание физических процессов пока не достигнуто. Например, квантовая теория описывает электрон математически, с помощью волновой функции. Электрон «размазан» по пространству. Его волновая функция задает вероятность, с которой электрон может быть обнаружен в любой заданной точке пространства. Но, будучи обнаружен, электрон перестает быть «размазанным»: его положение становится вполне определенным. Можно ли считать такую картину корректной? Квантовая теория правильно предсказывает положения стрелок приборов, но лежащие в основе физические явления остаются неясными. Работают математические правила, а разумная интерпретация квантового мира, как ни печально, отсутствует. По-видимому, для описания реальности нужны и волны, и частицы.

Порядок Вселенной может быть также и порядком нашего разума. Мы не просто наблюдатели реальности, мы - ее активные участники. Природа - не открытая книга, которую мы можем читать как независимые наблюдатели. Такой отказ от привычных требований физического объяснения заставил многих физиков и философов усомниться в том, что мы располагаем адекватным описанием атомных явлений. В частности, вероятностное описание, по их мнению, надлежит рассматривать как временную меру, на смену которой придет описание детерминистическое.

Не следует забывать, однако, о том, что квантовая теория возникла сравнительно недавно. Вполне возможно, что через какие-нибудь пятьдесят лет неуклюжий гибрид корпускулярной и корпускулярно-волновой теорий превратится в простую и ясную теорию. Много из того, что мы знаем о различных частицах, почерпнуто из «пунктирных следов», оставленных ими в различного рода регистрирующих устройствах. Такие следы возникают при бомбардировке частицами мишеней в ускорителях. С другой стороны, в ускорителях бомбардирующие частицы приобретают огромную энергию, и можно было бы заключить, что эта энергия превращается в массу. Можно ли считать рождающуюся таким образом массу подлинной реальностью или перед нами обманчивое ощущение, рожденное нашими ненадежными и поверхностными чувственными восприятиями? Если не вдаваться в подробности, то массу заведомо следует считать статистическим эффектом.

Как видим, понимание структуры атома имеет первостепенное значение для физики, но оно приносит поистине неоценимую пользу и химии, и биологическим исследованиям. Возможно, биохимии удастся раскрыть секреты жизни и наследственности и тем самым укрепить здоровье человека и продлить его жизнь. Как бы то ни было, можно с уверенностью сказать, что исследования природы атома оказались весьма плодотворными.

Для нас наиболее существенно было понять, что наши модели структуры атома не физические. Они от начала и до конца математические. Математика позволяет открыть и установить порядок там, где царил хаос. По словам Дирака и Гейзенберга, непротиворечивое математическое описание природы - путь к истине в физике. Необходимость наглядного представления или физического объяснения - не более чем пережиток классической физики.

Физический реализм — это взгляд, согласно которому физический мир, который мы видим, реален и существует сам по себе. Большинство людей думают, что это само собой разумеется, но с некоторых пор физическому реализму серьезно противоречат некоторые факты из мира физики. Парадоксы, которые сбивали с толку физиков прошлого века, до сих пор не разрешены, и многообещающие теории струн и суперсимметрии никуда этот воз пока не привезли.

В противовес этому, квантовая теория работает, но квантовые волны, которые запутываются, оказываются в состоянии суперпозиции, а затем коллапсируют, кажутся физически невозможными — они кажутся «мнимыми». Все это выливается в интересную картину: теория того, что не существует, эффективно предсказывает то, что существует — но как может нереальное предсказывать реальное?

Квантовый реализм — это противоположная точка зрения, согласно которой квантовый мир реален и создает физический мир как виртуальную реальность. Квантовая механика, таким образом, предсказывает эффекты физической механики, потому что является ее причиной. Физики говорят, что считать, что квантовые состояния не существуют, это как «не обращать внимания на вон того человека за занавеской».

Квантовый реализм — это не «матрица», в которой другой мир, создавший наш, будет физическим. И это не идея мозга-в-чане, поскольку эта виртуальность была задолго до того, как появился человек. И это не фантомный другой мир, который влияет на наш: наш физический мир — фантом сам по себе. В физическом реализме квантовый мир не существует, но в квантовом реализме физический мир невозможен — если это только не виртуальная реальность. И вот возможные объяснения.

Появление Вселенной

Физический реализм

Все слышали о Большом Взрыве, но если физическая Вселенная перед нами, как она началась? Завершенная Вселенная не должна изменяться вообще, поскольку ей некуда идти и неоткуда прийти, и ничто не может ее изменить. Тем не менее в 1929 году астроном Эдвин Хаббл обнаружил, что все галактики расширяются в сторону от нас, что привело к мысли о Большом Взрыве, который случился в точке пространства-времени порядка 14 миллиардов лет назад. Открытие космического микроволнового фона (который можно увидеть в виде белого шума на экране телевизора) подтвердило, что наша Вселенная не только началась в точке, но и пространство, и время появились вместе с ней.

Итак, когда Вселенная появилась, она уже существовала до своего создания, что невозможно, или была создана чем-то еще. Не может быть такого, чтобы целая, полная и цельная Вселенная появилась сама по себе из ничего. Тем не менее в эту странную идею верит большинство физиков сегодняшнего дня. Они полагают, что первым событием была квантовая флуктуация в вакууме (в квантовой механике пары частиц и античастиц появляются и исчезают повсюду, то есть абсолютной пустоты не существует). Но если материя просто появилась из пространства, откуда появилось пространство? Как квантовая флуктуация в пространстве могла создать пространство? Как могло время начать идти само по себе?

Квантовый реализм

Каждая виртуальная реальность начинается с первого события, вместе с которым появляется и пространство, и время. С такой точки зрения, Большой Взрыв произошел, когда наша физическая Вселенная загрузилась, включая ее операционную систему пространства-времени. Квантовый реализм предполагает, что Большой Взрыв был в действительности Большим Пуском.

У нашей Вселенной есть максимальная скорость

Физический реализм

Эйнштейн пришел к выводу, что ничто не может двигаться быстрее, чем свет в вакууме, и со временем это стало универсальной константой, однако, до конца неясно, почему так. Грубо говоря, любое объяснение сводится к тому, что «скорость света постоянна и предельна, потому что вот так вот». Потому что не может быть ничего прямее прямой.

Но ответ на вопрос «почему вещи не могут двигаться быстрее и еще быстрее», который звучит как «потому что не могут», едва ли можно назвать удовлетворительным. Свет замедляется (преломляется) водой или стеклом, и когда он движется в воде, мы говорим, что его средой является вода, когда в стекле — стекло, но когда он движется в пустом пространстве, мы молчим. Как может волна вибрировать в пустоте? Нет никакого физического фундамента для движения света по безвоздушному пространству, не говоря уж об определении максимально возможной скорости.

Квантовый реализм

Если физический мир — это виртуальная реальность, то скорость света — это продукт обработки информации. Информация определяется как выборка из конечного множества, поэтому ее обработка тоже должна осуществляться с конечной скоростью, а значит, наш мир обновляется с конечной скоростью. Условный процессор суперкомпьютера обновляется 10 квадриллионов раз в секунду, а наша Вселенная обновляется в триллионы раз быстрее, но принципы в основном те же. И если изображение на экране обладает пикселями и частотой обновления, в нашем мире есть планковская длина и планковское время.

В таком случае скорость света будет предельной, потому что сеть не может передавать ничего быстрее, чем один пиксель за цикл, то есть, планковская длина за единицу планковского времени, или порядка 300 000 километров в секунду. Скорость света в действительности должна называться скоростью космоса (пространства).

Наше время весьма податливо

Физический реализм

В эйнштейновском парадоксе близнецов один из них путешествует на ракете почти со скоростью света и возвращается через год, чтобы обнаружить, что его брат-близнец — восьмидесятилетний старик. Никто из них не знал, что их время идет по-разному, и все остались живы, но жизнь одного подходит к концу, а другого — только начинается. В объективной реальности это кажется невозможным, но время для частиц в ускорителях действительно замедляется. В 1970-х ученые запустили вокруг мира атомные часы на самолете, чтобы подтвердить, что те тикают медленнее, чем синхронизированные с ними изначально часы на земле. Но как время, судья всех изменений, само может быть подвержено изменениям?

Квантовый реализм

Виртуальная реальность зависит от виртуального времени, где каждый цикл обработки является одним «тиком». Каждый геймер знает, что когда компьютер подвисает вследствие лага, игровое время тоже немного замедляется. Точно так же время в нашем мире замедляется с ростом скорости или рядом с массивными объектами, что свидетельствует о виртуальности. Близнец на ракете постарел только на год, потому что все циклы обработки его системы подвисли в целях экономии. Изменилось только его виртуальное время.

Наше пространство искривляется

Физический реализм

Согласно общей теории относительности Эйнштейна, Солнце удерживает Землю на орбите за счет искривленного пространства, но как пространство может искривляться? В пространстве, по определению, происходит движение, поэтому, чтобы оно искривилось, оно должно существовать в другом пространстве, и так до бесконечности. Если материя существует в пространстве пустоты, ничто не может сдвинуть или искривить это пространство.

Квантовый реализм

В режиме «простоя» компьютер на самом деле не простаивает, а выполняет нулевую программу, и наше пространство может делать то же самое. Эффект Казимира проявляется, когда вакуум пространства оказывает давление на две пластины, которые расположены близко друг к другу. Современная физика утверждает, что это давление вызывают виртуальные частицы, которые возникают ниоткуда, но в квантовом реализме пустое пространство заполнено обработкой, которая вызывает тот же эффект. И пространство, как обрабатывающая сеть, может представлять трехмерную поверхность, способную искривляться.

Случайности случаются

Физический реализм

В квантовой теории квантовый коллапс является случайным, к примеру, радиоактивный атом может испустить фотон, когда ему вздумается. Классическая физика не объясняет случайность событий. Квантовая теория объясняет физическое событие «коллапсом волновой функции», поэтому в каждом физическом событии есть элемент случайности.

Чтобы предотвратить угрозу этого первенства физической причинности, в 1957 году Хью Эверетт предложил многомировую теорию, непроверяемую идею того, что каждый квантовый выбор порождает новую вселенную, поэтому каждый вариант события происходит где-то в новой «множественной вселенной» (multiverse). К примеру, если вы выбрали бутерброды на завтрак, природа создает другую вселенную, в которой вы завтракаете персиками и йогуртом. Изначально к многомировой интерпретации относились со смехом, но сегодня физики все чаще предпочитают именно эту теорию другим, чтобы развеять кошмар случайностей.

Тем не менее, если квантовые события создают новые вселенные, несложно догадаться, что вселенные будут накапливаться со скоростью, которая выходит за рамки любых понятий о бесконечности. Многомировая фантазия не просто обходит стороной бритву Оккама, но еще и надругается над ней. К тому же множественная вселенная — это реинкарнация другой старой сказки о заводной вселенной (clockwork universe), которую квантовая теория развенчала в прошлом веке. Ложные теории не умирают, они превращаются в теории-зомби.

Квантовый реализм

Процессор в онлайн-игре может генерировать случайное значение, и наш мир — тоже. Квантовые события случайны, поскольку связаны с клиент-серверными действиями, к которым у нас нет доступа. Квантовая случайность кажется бессмысленной, но играет такую же роль в эволюции материи, какую генетическая случайность сыграла в биологической эволюции.

Антиматерия существует

Физический реализм

Антиматерия относится к субатомным частицам, соответствующим электронам, протонам и нейтронам обычной материи, но с противоположным электрическим зарядом и другими свойствами. В нашей Вселенной отрицательные электроны вращаются вокруг положительных атомных ядер. Во вселенной антиматерии положительные электроны вращались бы вокруг отрицательных ядер, но жителям этой вселенной казалось бы, что с физическими законами все в порядке. Материя и антиматерия аннигилируют при контакте, то есть взаимно уничтожаются.

Уравнения Поля Дирака предсказали антиматерию задолго до ее обнаружения, но до конца не было ясно, как что-то, аннигилирующее материю, вообще возможно. Диаграмма Фейнмана встречи электрона с антиэлектроном показывает, что последний, сталкиваясь, возвращается назад во времени! Как это часто бывает в современной физике, это уравнение работает, но его последствия не имеют никакого смысла. Материи не нужен антипод, а обратный ход времени подрывает причинно-следственные основы физики. Антиматерия — это одна из самых загадочных находок современной физики.

Квантовый реализм

Если материя — это результат обработки, и обработка устанавливает последовательность значений, следует, что эти значения можно обратить вспять, получив, таким образом, антиобработку. В таком свете антиматерия — это неизбежный побочный продукт материи, созданной в процессе обработки. Если время — это завершение первичных циклов обработки материи, для антиматерии оно будет завершением вторичных циклов, а значит, оно будет идти в обратном направлении. У материи есть антипод, потому что процесс обработки, который ее создает, является обратимым, и антивремя существует по той же причине. Только виртуальное время может идти вспять.

Эксперимент с двумя щелями

Физический реализм

Более 200 лет назад Томас Юнг провел эксперимент, который до сих пор ставит в тупик физиков: пропустил свет через две параллельные щели, чтобы получить интерференционную картину на экране. Только волны могут делать это, поэтому частица света (даже один фотон) должна быть волной. Но свет может попасть на экране и в виде точки, что может произойти только в том случае, если фотон — частица.

Чтобы проверить это, физики отправили один фотон через щели Юнга. Один фотон выдал ожидаемую точку попадания частицы, но вскоре точки выстроились в интерференционную картину. Эффект не зависит от времени: один фотон, проходящий через щели, каждый год выдает одну и ту же картину. Ни один фотон не знает, где попал предыдущий, так как же появляется интерференционная картина? Детекторы, размещенные на каждой щели, только впустую потратили время — фотон проходит либо через одну щель, либо через другую, никогда — через обе. Природа издевается над нами: когда мы не смотрим, фотон — волна, когда смотрим — частица.

Современная физика называет эту загадку корпускулярно-волновым дуализмом, «глубоко странным» явлением, объяснимым только эзотерическими уравнениями несуществующих волн. Тем не менее мы, здравомыслящие люди, знаем, что точечные частицы не могут распространяться подобно волнам, а волны не могут быть частицами.

Квантовый реализм

Квантовая теория объясняет эксперимент Юнга вымышленными волнами, которые проходят через обе щели, интерферируют, а затем коллапсируют в точку на экране. Это работает, но волны, которые не существуют, не могут объяснить того, что существует. В квантовом реализме программа фотона может распространяться в сети как волна, а затем начинать сначала, когда узел перегружается и перезагружается, как частица. То, что мы называем физической реальностью, является рядом перезагрузок, объясняющих и квантовые волны, и квантовый коллапс.

Темная энергия и темная материя

Физический реализм

Современная физики описывает материю, которую мы видим, но во Вселенной также есть в пять раз больше того, что называют темной материей. Ее можно обнаружить как ореол вокруг черной дыры в центре нашей галактики, который связывает звезды вместе более прочно, чем может позволить их гравитация. Это не материя, которую мы можем увидеть, потому что свет ее не берет; это не антиматерия, поскольку у нее нет сигнатуры гамма-излучения; это не черная дыра, потому что нет эффекта гравитационного линзирования — но без темной материи звезды в нашей галактике разлетелись бы прочь.

Ни одна из известных частиц не описывает темную материю — предлагались гипотетические частицы, известные как слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMP, или «вимпы»), но ни одну из них так и не нашли, несмотря на тщательные поиски. В дополнение к этому, 70% Вселенной представлено темной энергией, которую физика также не может объяснить. Темная энергия — это своего рода отрицательная гравитация, слабый эффект, который расталкивает вещи, ускоряя расширение Вселенной. Оно не сильно изменяется со временем, но что-то плавающее в расширяющемся пространстве со временем должно ослабевать. Если бы это было свойством пространства, оно бы увеличивалось с расширением пространства. На данный момент никто не имеет ни малейшего понятия о том, что такое темная энергия.

Квантовый реализм

Если пустое пространство — это нулевая обработка, «спящий режим», тогда оно не пустое, и если оно расширяется, то пустое пространство постоянно добавляется. Новые точки обработки, по определению, принимают ввод, но не дают никакого вывода. Таким образом, они поглощают, но не излучают, в точности как негативный эффект, который мы называем темной энергией. Если новое пространство добавляется с постоянной скоростью, эффект не будет сильно изменяться со временем, поэтому темная энергия обусловлена продолжающимся созданием пространства. Квантовый реализм предполагает, что частицы, которые могут объяснить темную энергию и темную материю, не будут обнаружены.

Туннелирующие электроны

Физический реализм

В нашем мире электрон может внезапно выскочить за пределы гауссова поля, через которое не может проникнуть. Это можно сравнить с монетой в совершенно закрытой стеклянной бутылке, которая внезапно появляется за ее пределами. В сугубо физическом мире это попросту невозможно, но в нашем — вполне.

Квантовый реализм

Квантовая теория предполагает, что электрон должен случайно проделывать вышеописанное, потому что квантовая волна может распространяться вне зависимости от физических барьеров, и электрон может внезапно коллапсировать в любой ее точке. Каждый коллапс — это кадр фильма, который мы называем физической реальностью, за исключением того, что следующий кадр не фиксирован, а базируется на вероятностях. Электрон, «туннелирующий» через непроходимое поле — это как фильм, который скрывает от взгляда, как актер выходит из дома наружу.

Это может показаться странным, но телепортация из одного состояния в другое — это то, как движется вся квантовая материя. Мы видим физический мир, который существует независимо от нашего наблюдения, но в квантовой теории эффект наблюдателя описывает эффект игрового вида: когда вы смотрите налево, создается один вид, когда направо — другой. В теории Бома призрачная квантовая волна направляет электрон, но в теории, которую мы рассматриваем, электрон и является этой призрачной волной. Квантовый реализм разрешает квантовый парадокс, делая квантовый мир реальным, а физический мир — его продуктом.

Квантовая запутанность

Физический реализм

Если атом цезия испускает два фотона в разных направлениях, квантовая теория «запутывает» их, так что если один вертится снизу вверх, другой — сверху вниз. Но если один случайно переворачивается, как другой может мгновенно узнать об этом, на любом расстоянии? Для Эйнштейна открытие того, что измерение спина одного фотона мгновенно определяет спин другого, где бы тот ни был во Вселенной, было «жутким действием на расстоянии». Экспериментальная проверка этого стала одним из самых тщательных и точных экспериментов вообще в истории науки, и квантовая теория снова оказалась права. Наблюдение за одним запутанным фотоном приводит к тому, что другой получает противоположный спин — даже если они слишком далеки даже для того, чтобы световой сигнал успел их об этом оповестить. Природа могла бы сделать так, что спин одного фотона был бы верхним, а другого — нижним, с самого старта, но это, видимо, было слишком сложно. Поэтому она позволила спину одного выбирать любое случайное направление, так что когда мы его измеряем и определяем одно, спин другого фотона тут же меняется на противоположный, хотя это кажется физически невозможным.

Квантовый реализм

С этой точки зрения два фотона запутываются, когда их программы объединяются для совместного ведения двух точек. Если одна программа отвечает за верхний спин, а другая за нижний, их объединение будет отвечать за оба пикселя, где бы те ни были. Физическое событие у каждого пикселя случайным образом перезапускает программу, другая программа реагирует на это соответствующим образом. Этот код перераспределения игнорирует расстояния, потому что процессору не нужно ходить к пикселю, чтобы попросить его перевернуться, даже если экран большой, как сама Вселенная.

Стандартная модель физики включает 61 фундаментальную частицу с установленными параметрами заряда и массы. Если бы она была машиной, у нее было бы несколько десятков рычагов для запуска каждой частицы. Также ей понадобилось бы пять невидимых полей, которые порождают 14 виртуальных частиц с 16 разными «зарядами» для работы. Возможно, вам кажется полным этот набор, но Стандартная модель не может объяснить гравитацию, стабильность протона, антиматерию, изменения кварков, массу нейтрино или его спин, инфляцию или квантовую случайность — и это очень важные вопросы. Не говоря уж о частицах темной материи и темной энергии, из которых состоит большая часть Вселенной.

Квантовый реализм по-новому интерпретирует уравнения квантовой теории в терминах одной сети и одной программы. Его основное допущение в том, что физический мир — это вывод обработки, но это не умаляет его реальности — просто мы его не видим. Теория предполагает, что материя появилась из света как стабильная квантовая волна, а значит квантовый реализм предполагает, что свет в вакууме может порождать материю при столкновении. Стандартная модель утверждает, что фотоны не могут сталкиваться, поэтому необходим кардинальный экспериментальный подход для проверки виртуальной реальности нашего мира. Когда свет в вакууме породит материю при столкновении, модель элементарных частиц заменится моделью информационной обработки.

Для справки : Брайан Уитворт, создатель теории квантового реализма, оставил подробный путеводитель по терминам, поэтому если у вас будут вопросы — задавайте, постараюсь ответить по его материалам.

Как вы помните из курса физики средней школы, вся материя состоит из молекул.

Если взять любой физический объект и делить его до тех пор, пока не станет невозможным разделить оставшуюся частицу снова, в конечном итоге мы получим наименьший элемент этого объекта, неделимую частицу.

Для большинства объектов это будет молекула, хотя для некоторых чистых веществ наименьшей неделимой частицей является атом.

Вещества, состоящие из одинаковых атомов, называются химическими элементами. Если атомы этих элементов соединить вместе, можно «создать» другие вещества. Воду, например, можно разложить только на молекулы, которые состоят из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Если разложить воду на атомы, она перестанет быть водой и станет кислородом и водородом.

Молекулы и, в определенной степени, атомы ведут себя логично и «правильно» — в соответствии с правилами классической науки, науки XIX века и «здравого смысла».

Но ученые всегда стремились понять, из чего состоят сами атомы, вот тут-то и начинаются проблемы, и именно здесь расходятся пути логичной науки и возможностей нашего восприятия и воображения. Как только мы начинаем наблюдать поведение объектов меньших, чем атомы, начинают происходить странные вещи.

«Маленькие странности»

Когда исследователи начали экспериментировать с объектами, из которых состоят атомы, им пришлось искать совершенно новый физический подход. Они назвали новое направление квантовой физикой, потому что результаты их экспериментов не имели никакого сходства с тем, что ожидалось согласно законам физики, которую именуют классической. Квантовая физика достигла феноменальных успехов в предсказании поведения частиц и стала основой для многих современных технологий.

Слово «квант» происходит от латинского quantum — «сколько» и означает в физике неделимую порцию чего-либо. Кирпичики материи — это крошечные частицы вещества. Субатомные частицы обладают свойствами как твердых частиц, так и волн.

Одним из самых странных открытий квантовой физики является то, что эти частицы всегда находятся «неизвестно где». Невозможно абсолютно точно определить координаты и импульс элементарной частицы в пространстве в конкретный момент времени.

Это принцип неопределенности Гайзенберга — один из основных принципов квантовой механики. Может показаться, что все это полная бессмыслица, но тем не менее это так. И на этом странности не заканчиваются.

Частицы света — фотоны, попадая на преграду, в которой проделаны две близко расположенные вертикальные щели, делают то же самое — каждая частица проходит через обе щели одновременно.

Тот же эксперимент можно проделать со светом. Свет проходит через одну щель в преграде. На выходе он сталкивается со второй преградой, в которой проделаны две щели.

На выходе из каждого отверстия по другую сторону формируется новая волновая картина. Сразу две волны начинают интерферировать друг с другом.

За второй преградой устанавливается экран. Когда свет попадает на этот экран, появляется изображение из светлых и темных полос. Эти полосы называются интерференционными полосами. Они соответствуют областям, где световые волны складываются (конструктивная интерференция), и областям, где волны гасят друг друга (деструктивная интерференция).

В 1800 году английский ученый Томас Юнг использовал этот эксперимент, чтобы доказать, что свет не состоит из твердых частиц, а представляет собой волну, распространяющуюся в воздухе, подобно волне, пробегающей по поверхности воды. Но сразу же возник серьезный вопрос:

Каким образом свет распространяется в вакууме?

По своей природе волна не может не только распространяться, но и существовать в отсутствие какой-либо среды. Тем не менее свет и его разновидности, такие как тепло, могут проходить вакуум.

Чтобы объяснить, как солнечный свет и тепло преодолевают миллионы километров пустого пространства и достигают Земли, были выдвинуты предположения, что пространство заполняет какое-то еще неизвестное вещество — его назвали эфиром. Считалось, что именно это таинственное вещество служит переносной средой для волн в вакууме.

Затем были обнаружены еще некоторые свойства света, не вписывающиеся в волновую теорию. Особым вопросом стал фотоэлектрический эффект. Было установлено, что свет, падающий на твердый объект, как бы выбивает с его поверхности электроны.

В начале XX века природой света заинтересовался Альберт Эйнштейн и в 1905 году написал работу, которая впоследствии принесла ему Нобелевскую премию по физике.

Он объяснил фотоэлектрический эффект очень просто: выбивание электронов происходит за счет воздействия неких частиц света, — и назвал эти частицы фотонами. А частицы не нуждаются ни в какой среде (эфире) и могут свободно перемещаться в вакууме.

Теория Эйнштейна была впоследствии доказана экспериментальным путем: свет действительно состоит из частиц. Наука вскоре продвинулась до такой степени, что ученые смогли выделить одиночные фотоны и проводить с ними эксперименты.

Однако поведение света также носило и волновой характер. Казалось, свет представляет собой и твердые частицы материи, и волны одновременно. Что-то здесь было не так. Чтобы разобраться в этом парадоксе, ученым пришлось вновь повторять эксперимент с двумя щелями, используя самые современные на тот момент измерительные приборы и детекторы.

Было проделано несколько вариантов этого эксперимента, и результаты показали, что реальность гораздо более загадочна, чем мы можем себе представить.

Предположим, что на преграду, в которой проделаны две щели, попадает один фотон. Чтобы очутиться по ту сторону преграды, фотон должен пройти через одно из двух отверстий.

Чтобы зарегистрировать одну такую маленькую частицу света, понадобится сверхчувствительная фотопластинка, которая устанавливается по другую сторону от преграды.

Каждый фотон, достигая поверхности фотопластинки, отображается на ней в виде белого пятнышка. По мере того как тысячи, а затем миллионы фотонов достигают пластинки, начинает проявляться определенное изображение.

Логично предположить, что на пластине будет изображение двух белых круглых пятен напротив каждого отверстия. Но на самом деле мы снова получаем интерференционные полосы! Каждая частица проходит через одно отверстие, но в момент прохождения сквозь щель что-то будто взаимодействует с ней, формируя неожиданную интерференционную картину.

Физикам остается лишь один возможный вывод: фотон испускается как частица и достигает пластинки как частица, но в пути он будто проходит через оба отверстия. Затем он располагается на фотопластинке вместе с другими фотонами так, чтобы сформировалась идеальная картина из светлых и темных полос.

Остается загадкой, каким образом фотону удается одновременно пройти через оба отверстия и откуда он «знает», как после этого ему следует расположиться на фотопластинке?

Свет: и волна, и частица

Физик Ральф Байерлейн сделал попытку ответить на первую часть этого вопроса так: свет путешествует как волна, а затем распадается и приходит на поверхность как частица.

Но свет не имеет массы и, как ни странно, не имеет объема. Частицы света (или световые волны) всегда путешествуют со скоростью света и поэтому должны существовать вне времени и пространства. Для того чтобы находиться «в пространстве», объект должен иметь массу. У света она отсутствует.

Для того чтобы находиться «во времени», объект должен путешествовать во времени. Однако при скорости света время расширяется настолько, что фактически останавливается. Это означает, что свет существует вне времени.

Все еще усложняется, если вспомнить, что свет — это всего лишь часть электромагнитного спектра, видимая невооруженным глазом. Электромагнитное излучение не имеет физической оболочки, оно просто есть.

Свет — это странное явление. А вот атомы, какими бы «пустыми» они ни были, — в конечном счете твердые частицы, которым, в отличие от света, не присуще подобное раздвоение. Или присуще? Удивительно, но ученые уже выяснили, что электроны и атомы подобны свету в том, что иногда ведут себя как твердые частицы, а иногда — как нефизические волны.

В 1987 году японские ученые из исследовательских лабораторий Хитачи и университета Гакусюин пришли к выводу, что электроны обладают такой же двойственностью. Это сомнительное утверждение, ведь электроны невероятно малы и никто никогда не видел и не фотографировал их. А вот атомы — другое дело. Самые крупные можно сфотографировать, и понятно, что они твердые в прямом смысле этого слова.

Первый перелом во взглядах на реальность произошел в начале 1990-х годов, когда ученые из немецкого университета Констанца доказали, что атомы тоже путешествуют как волна, а взаимодействуют как частицы.

А в 1999 году было обнаружено, казалось бы, невозможное: Антон Цайлингер из Венского университета продемонстрировал, что бакиболлы — сферические полые молекулы, состоящие из 60 атомов углерода, — могут одновременно проходить через две параллельные щели.

Итак, что же все это значит?

Допустим, стул, на котором вы сейчас сидите, состоит не только из обширных областей пустого пространства. Его цельность зависит от того, выберут ли атомы состояние твердых частиц или нефизических волн. Что же заставляет их сделать этот выбор? Ответ прост, но от него берет оторопь.

Ваш разум — это и есть тот фактор, который преобразует атом из нефизической волны в твердую частицу материи посредством обработки нервных сигналов, поступающих от ваших ягодиц. Акт восприятия сознательного существа вызывает физическое существование материи!

Есть и еще тревожные сведения: недавние эксперименты показали, что так происходит не только с атомами, но и с молекулами. Атомы и молекулы — это основные кирпичики, из которых построено все, что мы воспринимаем. Даже вы сами состоите из триллионов этих частиц.

Но если они настолько странно себя ведут, почему происходит так, что мы воспринимаем твердые предметы, которые действуют в пределах законов классической физики? Каким чудом безумие одного человека стало коллективным здравомыслием? Согласно принятой среди современных физиков точке зрения, именно акт наблюдения заставляет частицы вести себя таким образом.

Копенгагенская интерпретация

Этот вывод известен как копенгагенская интерпретация — он назван так потому, что основатели квантовой теории проживали в датской столице. Группа исследователей под руководством великого физика Нильса Бора предположила, что, воспринимая эти частицы, мы заставляем их принимать решение о том, в каком месте они расположатся.

Прежде чем частицы окажутся под наблюдением, они размываются в то, что называется «волной вероятности» и за счет этого могут пребывать в нескольких местах одновременно. Когда происходит акт наблюдения, частицы вынуждены выбирать одно место из всех других потенциальных мест.

Согласно копенгагенской интерпретации, в отсутствие наблюдения частицы могут пройти через обе щели в преграде. Как только экспериментатор включает любое измерительное устройство, частица вынуждена проходить через одну щель.

Иначе говоря, когда макромир наблюдает эти частицы, они вынуждены менять свое квантовое поведение на «классическое» поведение макрокосмических масштабов.

Атомы вынуждены действовать «нормально», как только они объединяются в деревья, стулья или книги. Такой акт наблюдения принято называть коллапсом волновой функции, поскольку в момент наблюдения волна становится частицей. А в отсутствие наблюдения объект представляет собой и частицу, и волну одновременно. Это состояние называют суперпозицией.

В отсутствие наблюдения частицы остаются в волне вероятности и не имеют возможности выбирать то или другое местоположение. Наблюдатель разрушает волновую функцию, что приводит к появлению материи. Нет наблюдателя — нет материи.

Выходит, один из важнейших вопросов теперь — что же представляет собой «наблюдатель»? Должен ли он быть существом, обладающим сознанием, или вполне достаточно любого бездумного измерительного прибора? Некоторые из ученых придерживаются мнения, что для того, чтобы наблюдать, нужно воспринимать, а это требует наличия сознания. Тогда что происходит с объектами, которые нельзя наблюдать? К примеру, с камнем на Луне?

Для людей религиозных копенгагенская интерпретация не только не является проблемой, а напротив, согласуется с верой. Наблюдать все способен только Бог, и поэтому он сам гарантирует, что все вокруг существует.

Тем не менее многие ученые не приняли вывод, сделанный в Копенгагене, — для многих он оказался просто неприемлемым.

⚓ Ищи альтернативные точки зрения

Похожие статьи